100公里光纖!這是當(dāng)前世界最長(zhǎng)的量子直接通信距離，刷新了之前的18公里紀(jì)錄。

近日，北京量子信息科學(xué)研究院、清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，通信距離刷新世界紀(jì)錄。

這樣的指標(biāo)可以在無(wú)中繼條件下實(shí)現(xiàn)一些城市之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子直接通信，同時(shí)可以支撐基于安全經(jīng)典中繼的廣域量子網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。

安全通信容量和速率大大提升

量子通信是把傳統(tǒng)通信的光強(qiáng)度等經(jīng)典物理量換成量子領(lǐng)域里獨(dú)有的光量子態(tài)。量子態(tài)與常規(guī)物理量不同，不能被復(fù)制，每被測(cè)量一次都可能會(huì)變化，導(dǎo)致結(jié)果不盡相同。若有人竊聽(tīng)，就會(huì)造成誤碼率顯著上升，從而被發(fā)現(xiàn)。經(jīng)典的物理量則沒(méi)有這種性質(zhì)，因此經(jīng)典保密通信過(guò)程無(wú)法感知竊聽(tīng)，而且也不需要感知竊聽(tīng)。

相較之下，量子直接通信無(wú)需密鑰，靠檢測(cè)通信中的誤碼率監(jiān)測(cè)竊聽(tīng)情況，估算安全容量，選取相應(yīng)的糾錯(cuò)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)安全可靠通信。龍桂魯介紹，此前系統(tǒng)中抽樣檢測(cè)和信息傳輸均采用相位量子態(tài)，新系統(tǒng)則采用相位量子態(tài)和時(shí)間戳量子態(tài)的混合編碼。時(shí)間戳量子態(tài)用于抽樣檢測(cè)，能大幅降低噪聲的影響，而通信部分依然采用具有自補(bǔ)償性能的相位量子態(tài)，具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率(沒(méi)有竊聽(tīng)時(shí)的誤碼率)，結(jié)合具有更強(qiáng)糾錯(cuò)能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率，將最大可容忍損耗從5.1dB提升到18.4dB;其通信速率也得到了提升，在30公里光纖距離下通信速率達(dá)22.4kbps。

竊聽(tīng)和噪聲并存信道下的安全和可靠通信

我們已知的通信方式滿足著名的香農(nóng)定理。科學(xué)家香農(nóng)所建的通信模型給出噪聲信道下的信道容量，這個(gè)容量就是噪聲信道的最高可靠傳輸速率。

經(jīng)典通信只管信息的可靠傳輸，不管通信是否安全。這時(shí)，密碼學(xué)派上用場(chǎng)，采用數(shù)學(xué)變換把要傳輸?shù)男畔⒋騺y，使竊聽(tīng)者看不懂。而量子直接通信則在可靠通信的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步賦能安全特性，形成在噪聲和竊聽(tīng)信道下的可靠和安全通信的新模式。

隨著現(xiàn)代密碼分析、超算計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，部分密碼算法的安全受到了嚴(yán)重威脅。為了應(yīng)對(duì)這一威脅，發(fā)展了兩種方法。一種是從經(jīng)典密碼學(xué)里發(fā)展的抗量子密碼;另一種就是量子保密通信，量子直接通信是其中一種。

2000年，龍桂魯團(tuán)隊(duì)提出量子直接通信的首個(gè)協(xié)議，并相繼于2003年和2004年提出第二、第三個(gè)協(xié)議。量子直接通信改變了傳統(tǒng)保密通信密鑰分發(fā)和密文傳輸?shù)碾p信道結(jié)構(gòu)，只需一個(gè)量子通道。量子直接通信把香農(nóng)定理保證的噪聲信道下的可靠通信進(jìn)行了拓展。

安全中繼量子網(wǎng)絡(luò)亟待建設(shè)

實(shí)用化的量子直接通信還有多遠(yuǎn)?

2016年以來(lái)，清華大學(xué)和北京量子信息科學(xué)研究院的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)合作，提出了多種關(guān)鍵技術(shù)，解決了量子直接通信實(shí)用化中的一些關(guān)鍵難題。

2020年，北京量子信息科學(xué)研究院和清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)布了世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10公里光纖中4kbps的通信速率;同年他們將通信距離進(jìn)一步提升到了18公里。

2021年11月，《北京市“十四五”時(shí)期國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)規(guī)劃》明確提出在“十四五”期間，北京將建成基于安全中繼的城際量子示范網(wǎng)絡(luò)。安全中繼就是把量子直接通信和抗量子密碼結(jié)合，用量子直接通信傳輸抗量子密碼加密后的密文，這樣在經(jīng)典中繼節(jié)點(diǎn)，信息受到抗量子密碼的保護(hù);在通信鏈路，信息得到量子的保護(hù)，從而給網(wǎng)絡(luò)提供了端對(duì)端的安全性。新系統(tǒng)為建設(shè)這一示范網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信，龍桂魯透露，未來(lái)，團(tuán)隊(duì)利用最近北京量子信息科學(xué)研究院、清華大學(xué)、南京郵電大學(xué)、南方科技大學(xué)和南安普頓大學(xué)等中英學(xué)者聯(lián)合提出的經(jīng)典安全中繼組網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)廣域的具有端對(duì)端安全的安全中繼量子網(wǎng)絡(luò)，可以支撐多種應(yīng)用。(史詩(shī))

關(guān)鍵詞： 量子直接通信 清華大學(xué) 北京量子信息科學(xué)研究院 安全通信容量